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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 基本粒子的新发现(3)
发信站: 紫丁香 (Mon Mar 27 03:26:45 2000), 转信

新颖的夸克模型
    盖尔曼在研究他的粒子族方案时发现，它们是由更深层次的 3种组元构成的，因
为每一种不同的重子都需要 3个这样的粒子。1963年，他决定为他提出的粒子命名，
但叫什么好呢?他偶然想起了詹姆斯·乔伊斯所写的《芬尼根斯·威克》中的一句话：
    “三个夸克原顶得上一个马克”。
     于是，他就把这些粒子称做“夸克”。盖尔曼最初提出的那3种夸克，分别称为
上夸克(u)、下夸克(d)和奇夸克(s)。上夸克所具有的电荷是 +2/3，下夸克和奇夸克
均为-1/3，它们各有自己的反粒子——反夸克。
    正、反夸克所带的电荷正好相反，所有的重子都由3个夸克构成。例如：质子由2
个上夸克、1个下夸克组成(uud)，中子由1个上夸克、2 个下夸克组成(udd)。其他重
子也与此类似，例如正∑子是由２个上夸克和1个奇夸克构成(uus)，负子是由 3个
奇夸克构成(sss)。所有的介子都由一个夸克和一个反夸克构成，例如正K介子是由 1
个上夸克和1个反奇夸克构成，负π介子是由1个下夸克和 1个反上夸克构成。至此，
可以说是一切如意，所有已知的强子都可以用区区几种夸克构成：整个宇宙由两类“
建筑材料”构成，一类是轻子，一类是夸克。这3种夸克加上已知的4种轻子，便成为
构成世界万物的本原。
    如果夸克适用于盖尔曼所设计的方案，那么，它们就必须具有某些非常奇特的性
质，而最奇特之处，当推它们必须具有分数电荷。最初发现电子时，为了方便起见，
人们就把它的电荷定为-1，以后新发现的所有粒子如果带电就是恰恰等于电子电荷，
或者恰恰等于电子电荷的整数倍，从来没有发现过分数电荷。对于正电荷也是如此。
但是，夸克却不同了，它所带的电荷是-1／3和+2／3。
    盖尔曼提出夸克模型后，科学家们召开了一次国际学术会议，有人曾经当面向他
提问：“夸克是否当真存在?”
    盖尔曼的回答极为简练：“谁知道呢?”
    对于盖尔曼的回答，著名的前苏联理论物理学家和天体物理学家泽尔多维奇作了
这样的评价：
    “恐怕需要另一支笔——作家的笔，才能表现出他这句简短的话中的全部含义。
这里包含着对实验的巨大尊重，因为归根到底要靠实验来解决科学问题并推动科学前
进。这里表现出盖尔曼精神上素有的勇气、对新事物的敏感，也表现出他的求实精神。
他准备接受自然界给予的一切，并以此来创造新理论，继续导致新的实验。”
    为了检验盖尔曼所提出的设想，科学家们进行了不懈的努力。
    按照盖尔曼的理论，如果要打碎1个质子或打碎别的粒子，以形成1个夸克，那么，
就可提供当初由夸克释放出来的全部能量，必须提供足以形成30倍于质子质量的一群
粒子，所需的能量至少要比50年代产生质子和反质子时的能量大15倍。
    为了使粒子获得巨额的能量，人们采取的办法就是将粒子的运动速度加至极快。
1967年，前苏联建成一台 760亿电子伏的强聚焦质子同步加速器；1976年，西欧核子
研究中心建成一台4000亿电子伏的加速器，……尽管新的加速器所提供的能量越来越
高，但是，打碎质子或其他粒子，捕捉由此产生的夸克，却总是得出否定的结果。到
70年代，人们只有几次勉强地宣布，似乎“看见”了夸克的影子。
    1974年 8月，美籍华裔物理学家丁肇中，率领一个科学家小组，用布鲁克海文的
那台 330亿电子伏的加速器进行实验，发现了一个新粒子。同年11月，他们宣布了这
一发现，并将它命名为“J 粒子”。几乎与此同时，在斯坦福大学直线加速器中心，
以美国物理学家里希特为首的另一组高能物理工作者，也独立地发现了这种粒子，并
将它取名为ψ粒子。不久，在意大利和联邦德国的加速器中也相继观察到这种粒子。
    新粒子的奇特性质又引起了很大的震动，人们对粒子进行分类时，无法确定它的
归属，它是一种玻色子，其自旋是整数，但是它的质量很大，所以决不是光子，而像
是一种强子，它的质量达质子质量的 3倍半。通常，质量这么大的强子寿命都极短，
但是 J粒子的寿命却比质量与之相近的那些强子要长1000倍，这标志着它与先前已知
的粒子有着原则性的差别。人们把J粒子称做粲夸克(C夸克)。它的反粒子称为反 C夸
克。
    J 粒子发现以后，人们继续致力于证实粲夸克存在的各项预言。在布鲁克海文、
欧洲核子研究中心和费米实验室的气泡室实验中，曾经不断地获得可能是粲粒子的痕
迹。
    1976年下半年，美国的一些物理学家用4000亿电子伏的高能质子打靶，在由此产
生的许多事例中，又发现了一个新粒子，它的行为完全符合粲粒子应该具备的特征，
它是第一个粲反重子——一个类似于反质子、但包含着一个反粲夸克的粒子，为此，
在粒子物理学的历史中，人们郑重地写道：
    “1976年，首次找到了粲夸克的径迹。”
    粲夸克C正好和奇夸克S配成一对，它们正好与一对儿轻子——μ子和μ中微子相
对应，至此，似乎一切都很完美了，但是，就在4种夸克与4种轻子填平补齐之后不久，
斯坦福直线加速器中心和劳伦斯伯春利实验室的科学家小组忽然又发现了一种新的轻
子，只是相对于电子和μ子而言，它又显得太重了——质量约为电子质量的4000倍，
于是，人们只好在“轻”字前面再加上一个“重”字，把这种新轻子叫做“重轻子”，
具体地把它们发现的新粒子命名为“τ重轻子”，简称τ子。
    就像存在着电子中微子和μ中微子一样，τ子和τ子中微子也各有自己的反粒子。
就这样，轻子家族的成员从4个增加到6个，它们配成彼此非常相似的 3对。问题是是
否存在着与“τ子——τ子中微子”相对应的夸克。如果不想放弃夸克与轻子之间的
美妙的对称性，那么，就必须承认，应该存在着第5种和第6种夸克。它们相互配对，
而且与第3代轻子相对应。
    1997年 7月，在欧洲物理学会举办的“布达佩斯粒子物理讨论会”上，美国哥伦
比亚大学的物理学家列昂·莱德曼宣布：他们在费米国家加速器实验室发现了一种新
粒子，其质量为J粒子的3倍左右，也就是要比质子重10多倍。无论是莱德曼本人还是
听众，都因这项出乎意料的发现兴奋不已。说来也巧，莱德曼的话音刚落，城市突然
停电，四周一片漆黑，莱德曼诙谐地说：
    “这可能是上帝给的信号——他认为我们太接近于他的秘密了。”
    莱德曼在命名他新发现的粒子时，使用了一个很少使用的希腊字母γ，科学家们
把新发现的粒子称为底夸克(b夸克)——第5种夸克。

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